桂西北杉木人工林的生物量积累及生产力变化

惠柳笛, 刘凡胜, 莫少壮, 南雅薇, 何 斌, 张日施

(1.广西大学林学院,广西 南宁 530004；2.广西南丹县山口林场,广西 南丹 547200)

森林生物量和生产力是森林生态系统环境质量的综合体现[1]，不仅是评价森林生态系统结构和功能的重要指标，也是估算森林固碳能力的重要参数[2-3]。人工林作为森林生态系统的重要组成部分，在增加森林资源、解决木材供需矛盾以及改善生态环境等方面发挥着越来越重要的作用[4-5]。杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]是我国南方重要的商品用材林树种之一[6]，具有适应性强、生长迅速、木材单产高和材质优良等优点，在我国林业生产和生态建设中发挥着重要作用。桂西北是我国杉木人工林的重要栽培区之一，目前有关杉木人工林生物量和生产力的研究已有较多报道[7-12]，但涉及到桂西北地区杉木人工林的研究很少。为此，本研究以地处桂西北的南丹县杉木人工林为研究对象，对不同林龄(5、10、15、20年生)杉木人工林的生物量、生产力及其分配特征进行研究，探索该区域杉木人工林经营过程中生物量积累及生产力的变化规律，以期为合理制定杉木人工林的经营管理计划和栽培措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西西北部的南丹县山口林场。南丹县(107°1′～107°55′E、24°42′～25°37′N)地处云贵高原边缘，属中亚热带气候类型,地貌以中低山为主，海拔高度多在500～1 000 m之间，具有高原山区的气候特点和变化规律。年均气温16.9 ℃，年均降水量1 498 mm，降雨多集中在4—10月；年均蒸发量1 135 mm，年均相对湿度83%[13]。试验地海拔750～850 m，土壤母质(母岩)为砂页岩，风化程度较深，平均土层厚度70 cm以上，土壤肥力水平较高，土壤(0～40 cm)容重为0.90～1.02 g·cm-3，pH值为4.40～4.62，有机质、全氮含量分别为43.27～51.24、1.90～2.37 g·kg-1，土壤水解氮、速效磷、速效钾含量分别为196.4～235.6、1.05～1.24、48.35～64.50 mg·kg-1。

各林龄杉木人工林林分经营管理措施相同，造林前均经炼山和清理杂物后挖穴整地，种植穴规格为0.4 m×0.4 m×0.3 m。采用杉木实生苗(融水种源)定植，造林密度为2 500株·hm-2(株行距2 m×2 m)。造林后前3年的春季和秋季各进行1次铲草抚育。10年生杉木林于造林后第8年进行间伐，间伐强度(按林分密度计算，以下同)约为30%；15年生杉木林分别于造林后第8、13年进行间伐，间伐强度约为30%、20%；20年生杉木林分别于造林后第8、13、18年进行间伐，间伐强度约为30%、20%、20%。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与林分调查 根据南丹县山口林场不同林龄杉木人工林林分分布状况，以5 a为1个林龄阶段，于2019年5月在地理位置毗邻、立地条件相似的地段，分别选取5、10、15、20年生杉木人工林为研究对象。在不同林龄杉木林中分别设置3块样地，样地大小为400 m2(20 m×20 m)，然后对各样地内的林木进行每木检尺，调查林冠郁闭度、林分密度以及林木胸径、树高、冠幅和枝下高等指标。计算平均胸径和平均树高。杉木单株材积计算公式为：V=0.656 71×10-4×D1.769 412×H1.069 769[14]，其中D为胸径、H为树高。各林龄杉木人工林样地基本情况见表1。

表1 不同林龄杉木人工林林分特征Table 1 Stand characteristics of C.lanceolata plantations at different stand ages

1.2.2 林分生物量测定 在每个林龄的样地内选择3株平均木并伐倒，采用“Monsic分层切割法”分别测定地上部分树叶、树枝、干皮和干材鲜质量，采用“全根挖掘法”将地下各种根系挖出并测定其鲜质量。在每个样地内按对角线设置2 m×2 m小样方3个，采用“样方收获法”按灌木层、草本层和凋落物层测定鲜质量[13]。采集500～600 g林木各器官和林下植物及凋落物样品于80 ℃烘箱中烘干，测定含水率和干质量，计算林分各结构层次生物量。采用年平均生物量进行乔木层净生产力的估算。

1.2.3 数据处理 利用Excel 2013软件对各林龄杉木人工林不同结构层次生物量进行统计分析，并用SPSS 22.0软件对杉木人工林各组分生物量以及乔木层各器官净生产力间的差异性进行单因素方差分析(ANOVA)。

2 结果与分析

2.1 单株生物量

由表2可见，杉木人工林乔木层及其各器官生物量均随林龄增加而显著增大(P<0.05)，其单株生物量依次为8.50、41.61、94.50、163.61 kg·株-1，表现出该树种在桂西北地区所具有的速生特性。不同林龄林木中各器官生物量以干材最大，为3.18～108.37 kg·株-1；其次是树根和树枝，分别为1.51～22.37、1.39～15.09 kg·株-1；最小是干皮和树叶，分别为0.62～9.39、1.80～8.39 kg·株-1。但不同器官生物量由大到小的排列次序因林龄不同而存在一定差异，5年生为：干材>树叶>树根>树枝>干皮，10年生为：干材>树根>树枝>树叶>干皮，15年生为：干材>树根>树枝>树叶>干皮，20年生为：干材>树根>树枝>干皮>树叶。不同林龄各器官生物量组成分配中，经济生物量即干材比例随林龄增加而逐步增加，树叶、树枝和树根生物量则呈现相反的变化趋势，干皮生物量所占比例则保持相对稳定。

表2 不同林龄杉木人工林单株生物量及其分配1) Table 2 Biomass and its distribution of individual tree in C.lanceolata plantations at different stand ages

2.2 乔木层生物量及其分配

从表3可见，受经营过程中间伐和自然稀疏(林分抚育措施)的影响，杉木人工林林分密度随林龄增加而显著下降，但其乔木层生物量仍然表现出与平均单株生物量相同的变化趋势，即随林龄增加而显著增大，5、10、15和20年生生物量分别为19.13、61.60、113.41、152.14 t·hm-2，各林龄杉木林乔木层生物量或经济生物量(干材)间的差异显著(P<0.05)。而在不同林龄生物量增长量中，以10～15年生(51.81 t·hm-2)最大，分别为5～10年生(42.47 t·hm-2)和15～20年生(38.73 t·hm-2)的1.22倍和1.34倍，其中干材的增加量为36.81 t·hm-2，也高于5～10年生的23.59 t·hm-2和15～20年生的33.22 t·hm-2。

表3 不同林龄杉木人工林的乔木层生物量及其分配1)Table 3 Biomass and its distribution of tree layer of C.lanceolata plantations at different stand ages

在乔木层各器官生物量分配中，干材、干皮和树根生物量均随林龄增加而显著增大(P<0.05)，树叶和树枝则呈现先显著增大(5～15年生)后缓慢下降(15～20年生)的变化趋势。如果把乔木层分为树冠(树叶+树枝)、树干(干材+干皮)和树根三部分，则均以树干生物量及其所占比例最高，并随林龄增加而增大，由5年生的44.69%增加到20年生的71.98%；树冠生物量所占比例随林龄增加而下降，由5年生的37.53%下降到20年生的14.35%；树根生物量所占比例则比较稳定，为13.67%～17.78%。

2.3 林下植被和凋落物层生物量

林下植被和凋落物层都是杉木人工林生态系统的重要组成部分，对林地土壤肥力的恢复、维持和提高起着重要作用。从表4可见，5、10、15、20年生杉木人工林林下植被生物量分别为1.93、1.12、1.38、2.01 t·hm-2， 其中灌木层依次占29.02%、44.64%、47.10%、40.30%，草本层依次占70.98%、55.36%、52.90%和59.70%。森林凋落物是植物—土壤养分循环的联结库，是林地有机质的主要物质库和恢复、维持及提高土壤肥力的重要基础。不同林龄杉木人工林凋落物现存量在1.30～6.15 t·hm-2之间，随林龄增加而显著增大(P<0.05)，表明杉木人工林的生长过程有利于其凋落物的积累。

表4 不同林龄杉木人工林的林下植被和凋落物层生物量1)Table 4 Biomass of undergrowth vegetation and litter layer in C.lanceolata plantations at different stand ages t·hm-2

2.4 净生产力

森林生产力直接反映森林的生产能力。本研究以林木年平均生物量作为乔木层净生产力的指标，由于未把凋落物生物量、根系损失量、林下植物以及动物啃食量等计算在内，其净生产力估算结果比实际低。从表1和表3计算出5、10、15、20年生杉木人工林年平均蓄积生产量分别为4.08、11.37、14.50、16.10 m3·hm-2·a-1，其年均净生产力分别为3.83、6.16、7.56、7.61 t·hm-2·a-1，随林龄增加呈现先显著增加(5～15年生)后基本稳定(15～20年生)的变化趋势。从表5可见，不同器官净生产力积累速率最快的是干材，为1.43～5.04 t·hm-2·a-1，占乔木层年均净生产力的37.43%～66.24%，其净生产力及所占林分净生产力比例均随林龄增加而增大；其次是树枝、树根、树叶，分别为0.63～0.97、0.68～1.07、0.39～0.81t·hm-2·a-1， 积累速率最慢的是干皮，为0.28～0.48 t·hm-2·a-1，仅占5.78%～7.33%，呈现随林龄增加而下降的趋势。

表5 不同林龄杉木人工林年均净生产力1)Table 5 Annual net productivity of C.lanceolata plantations at different stand ages

3 讨论与结论

据报道，我国贵州省中部11、19和30年生杉木人工林乔木层生物量分别为54.72、102.82、115.26 t·hm-2[15]；河南省信阳市豫南5、10、15、20和25年生杉木人工林乔木层生物量分别为20.92、50.01、73.95、109.71和126.51 t·hm-2[16]；江西省分宜县相近密度(1 667株·hm-2)12年生杉木林生物量为57.42 t·hm-2[17]。本研究中，5、10、15、20年生杉木人工林乔木层生物量分别为19.13、61.60、113.41、152.14 t·hm-2。可见，与我国其他杉木栽培区域相比，桂西北杉木林具有较高的生物量积累能力。而在杉木林生物量积累动态中，随着林分的生长与发育，林木的自然整枝能力不断增强，林木生长逐渐进入或处于干材阶段，干材生物量及其所占比例逐渐增大，其增长速度均高于乔木层生物量增长速度，树叶和树枝生物量所占比例则逐渐减少，表明杉木林的生长过程对于以培育干材为目标的用材林经营十分有利。不同林龄间乔木层生物量增长量中，10～15年生分别为5～10和15～20年生的1.22、1.34倍，其中干材增长量分别比5～10和15～20年生增加56.04%和10.81%，说明该生长阶段乔木层生物量积累速率最快，同时也更有利于其经济生物量的生物积累。

受树种生物学特性和抚育间伐等人为干扰的影响，不同林龄杉木林林下植被发育均较差，其生物量均小于2.02 t·hm-2，凋落物层生物量也明显低于相同区域、相近林龄的光皮桦人工林[18]，不利于林地植物多样性的恢复和营养元素的生物循环[19]。但由于杉木林凋落物现存量呈现随林龄增加而增大的变化趋势，说明杉木林的生长过程在一定程度上也促进了凋落物的生物积累和养分归还。因此，在杉木林经营过程中，通过调控林分密度来促进林下植被的生长发育和增加林下植物物种多样性，从而加快凋落物层分解和腐殖化过程，将有利于提高林分的自肥能力，维持林地的持久生产力。

刘延惠等[15]研究表明，贵州省中部 11、19年生杉木人工林(乔木层，以下同)净生产力分别为4.97、5.41 t·hm-2·a-1，广西北部的16、23年生杉木人工林净生产力分别为10.27、5.71 t·hm-2·a-1[20]，广西武宣县8、14、23年生马尾松人工林净生产力分别为4.00、7.71、8.11 t·hm-2·a-1[21]。本研究中，5、10、15、20年生杉木人工林净生产力分别为3.83、6.16、7.56、7.61 t·hm-2·a-1，其中干材净生产力分别为1.43、3.08、4.50和5.04 t·hm-2·a-1，均表现出随林龄增加而增大的变化趋势，表明桂西北杉木人工林具有较高的生物生产力水平。由于在不同林龄阶段的发育和生长过程中，杉木林10～15年生阶段的乔木层生物量增长量最大，净生产力积累速率也较高，若在该生长阶段根据林木和土壤养分特性进行合理的林地施肥，将对满足林木生长对养分的需求与促进林木生长起到积极的作用。而在杉木林20年生后通过间伐进行大径材培育，不但可以继续发挥杉木杆材生长阶段的速生特性，并产生一定量木材(间伐材)而获得经济收益，同时可以降低经营管理强度，大幅度地节省经营成本，提高木材产量和经营效益，而且有利于增加林下植物的多样性，促进其生态系统养分元素生物循环，在一定程度上解决杉木连栽造成的地力衰退和生态功能下降而导致的林分生产力下降问题[22-23]，从而实现木材收益和碳吸存收益的经营目标。